Двухдиапазонная антенна с кольцевым фокусом и гиперболической образующей контррефлектора Российский патент 2024 года по МПК H01Q25/00 

Область техники, к которой относится изобретение

В настоящее время для радиосвязи и цифрового радиовещания широко используются искусственные спутники Земли (ИСЗ) - ретрансляторы, расположенные на геостационарной орбите (ГСО) и использующие одновременно диапазоны частот С, Ku и Ka. В перспективе планируется использование частотных диапазонов 40 ГГц и более [1].

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в качестве антенн земных станций спутниковых систем связи с ретрансляторами СВЧ-КВЧ диапазонов, расположенными на ГСО, для работы одновременно в двух диапазонах частот.

Уровень техники

Известны [2] многодиапазонные двухзеркальные антенны, состоящие из основного параболического зеркала-рефлектора, вспомогательного зеркала-контррефлектора в виде эллипсоида или гиперболоида, соосного рефлектору, и облучателя в фокусе контррефлектора. Такие антенны позволяют организовывать радиосвязь через ИСЗ на ГСО одновременно в нескольких частотных диапазонах с использованием устройств разделения диапазонов частот [2, 3]. К недостаткам такой антенной системы относится пониженная ее эффективность при одновременном приеме нескольких диапазонов на один облучатель из-за потерь электромагнитной энергии в устройстве разделения диапазонов частот.

Известны двухзеркальные антенны типа Грегори с двумя облучателями, один из которых расположен в фокусе основного параболического рефлектора, а второй в фокусе эллиптического контррефлектора, удаленном от вершины параболического рефлектора [4]. Каждый из этих облучателей принимает свой диапазон частот с одного и того же направления. Такие антенны раздельно принимают одновременно два разных диапазона частот без применения устройства разделения диапазонов частот. Однако контррефлектор в таких антеннах затеняет собой часть поля, отраженного от рефлектора, снижая обобщенный коэффициент использования площади антенны [2].

Известны двухзеркальные антенны со смещенной фокальной осью [5], также называемые антеннами с кольцевым фокусом [2]. Поверхность рефлектора и контррефлектора таких антенн образованы вращением несимметричных частей соответственно параболы и эллипса (гиперболы) вокруг оси, параллельной фокальной оси параболы. При этом один из фокусов эллипса (гиперболы) совмещен с фокусом параболы, а второй фокус эллипса (гиперболы) находится на оси вращения. В этом же фокусе размещается единственный облучатель указанных антенн. В антеннах с кольцевым фокусом волны, отраженные от рефлектора, проходят мимо контррефлектора и эффект затенения не проявляется.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении эффективности антенны при одновременном приеме радиоволн двух диапазонов частот за счет исключения устройства разделения частот, вносящего дополнительные потери в тракт приема, при отсутствии затенения рефлектора контррефлектором. Для этого предлагается двухдиапазонная антенна с кольцевым фокусом, состоящая двух облучателей разных диапазонов частот, рефлектора - основного зеркала в виде проводящей поверхности, образованной вращением несимметричной части параболы вокруг оси аксиальной симметрии антенны, параллельной фокальной оси параболы, и контррефлектора - вспомогательного зеркала в виде проводящей поверхности, образованной вращением вокруг оси аксиальной симметрии антенны несимметричной части гиперболы, мнимый фокус которой совпадает с фокусом параболы, а действительный фокус находится на оси аксиальной симметрии антенны между рефлектором и контррефлектором. Напротив контррефлектора со стороны рефлектора установлен вторичный контррефлектор в виде проводящей поверхности на основе осесимметричной вырезки из эллипсоида вращения, фокальная ось которого совпадает с осью аксиальной симметрии антенны. Дальний фокус вторичного контррефлектора совпадает с фокусом контррефлектора на оси аксиальной симметрии антенны и в этом фокусе установлен облучатель первого диапазона частот, обращенный в сторону контррефлектора. В ближнем фокусе вторичного контррефлектора установлен обращенный в его сторону облучатель второго диапазона частот.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежом фиг.1, на котором представлено сечение антенны плоскостью, проходящей через ось аксиальной симметрии антенны.

На чертеже обозначено:

1 - рефлектор;

2 - контррефлектор;

3 - облучатель первого диапазона частот;

4 - вторичный контррефлектор;

5 - облучатель второго диапазона частот;

6 - ось аксиальной симметрии антенны;

7 - фокальная ось параболы, образующей рефлектор;

8 - фокус параболы, образующей рефлектор;

9 - направление лучей после отражения от рефлектора 1;

10 - направление лучей от контррефлектора 2 к рефлектору 1;

11 - направление лучей от облучателя 3 к контррефлектору 2;

12 - направление лучей облучателя 5 ко вторичному контррефлектору 4;

13 - направление лучей от вторичного контррефлектора 4 к контррефлектору 2.

Осуществление изобретения

При подключении к облучателю 3 высокочастотного генератора первого диапазона частот этот облучатель излучает электромагнитную волну в сторону контррефлектора 2 (фиг.1). Поскольку этот контррефлектор находится в дальней зоне облучателя, то указанная волна является сферической. В любом сечении, содержащем ось аксиальной симметрии антенны 6, каждая симметричная половина антенны может рассматриваться как офсетная антенна типа Кассегрена [2]. При этом для облучателя 3, расположенного в действительном фокусе гиперболы, лучи 11, излучаемые в сторону контррефлектора 2, после отражения от него трансформируются в лучи 10, как будто исходящие из мнимого фокуса указанной гиперболы, совпадающего с фокусом параболы 8. После отражения от рефлектора 1 в раскрыве антенны формируется синфазный фронт волны и направленное излучение 9 вдоль фокальной оси 7 и оси аксиальной симметрии 6. Согласно принципу взаимности обратные процессы происходят и в режиме приема, обеспечивая связь с ИСЗ в первом диапазоне частот.

За счет того, что ось аксиальной симметрии антенны смещена относительно фокальной оси параболы, образующей рефлектор, лучи 9, отраженные от рефлектора, проходят мимо контррефлектора 2, не отражаются от него обратно к облучателю и не затеняются, что повышает эффективность антенны.

На оси аксиальной симметрии рефлектора 1 соосно ему установлен вторичный контррефлектор 4 в виде проводящей поверхности на основе осесимметричной вырезки из эллипсоида вращения. В ближнем к вершине фокусе вторичного контррефлектора 4 установлен облучатель второго диапазона частот 5. Дальний фокус вторичного контррефлектора 4 совмещен с действительным фокусом гиперболы, образующей контррефлектор 2. Этот фокус расположен на оси аксиальной симметрии антенны 6.

При подключении генератора второго диапазона частот к облучателю 5 этот облучатель излучает электромагнитную волну в сторону вторичного контррефлектора 4. С учетом размещения облучателя в дальней зоне эта волна является сферической. При этом лучи 12, излучаемые в сторону вторичного контррефлектора 4 облучателем, расположенным в фокусе эллипсоида, после отражения в виде лучей 13 будут проходить через второй фокус вторичного контррефлектора 4, совпадающий с фокусом действительным гиперболы, образующей контррефлектор 2. Дальнейший ход лучей будет аналогичен ходу лучей для облучателя 3 для первого диапазона частот. Таким образом, для второго диапазона частот в раскрыве рефлектора 1 также формируется синфазный фронт волны и направленное излучение 9 вдоль оси аксиальной симметрии 6.

Вторичный контррефлектор 4 и облучатель второго диапазона частот 5 размещаются в области напротив контррефлектора 2, куда не попадает излучение первого диапазона частот. За счет этого исключается реакция вторичного контррефлектора 4 и облучателя второго диапазона частот 5 на излучение первого диапазона частот.

Облучатель первого диапазона частот 3 затеняет излучение второго диапазона частот. Однако это негативное влияние может быть минимизировано при соответствующем распределении диапазонов частот по облучателям. Например, если длины волн первого диапазона частот будут в несколько раз меньше длин волн второго диапазона частот, то размер облучателя 3 также будет существенно меньше длин волн второго диапазона частот и воздействие этого облучателя на проходящие через него электромагнитные волны указанного диапазона частот будет мало.

Для одновременной работы в нескольких диапазонах частот в известных антеннах используются облучатели, общие для нескольких диапазонов частот в совокупности с устройствами разделения диапазонов, вносящими дополнительные высокочастотные потери, снижающие коэффициент использования и повышающие шумовую температуру антенны. В предлагаемой антенне разделение диапазонов частот осуществляется методом пространственного разделения приема на два облучателя 3 и 5. Кроме того, за счет свойств системы рефлектор-контррефлектор с фокальным кольцом исключено затенение рефлектора 1 как контррефлектором 2, так и вторичным контррефлектором 4. Отсутствие устройства разделения частот и исключение затенения позволяет реализовать высокий коэффициент усиления антенны при малой шумовой температуре. Этим достигается повышение эффективности антенны.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сподобаев М.Ю. Ключевые вызовы и основные тенденции развития отрасли спутниковой связи в среднесрочной перспективе. / SATCOMRUS 2017, 1 ноября 2017 г.

2. Фролов О.П., Вальд В.П. Зеркальные антенны для земных станций спутниковой связи. - М.: Горячая линия - Телеком, 2008. - 496 с.: ил.

3. Каскад приемного устройства СВЧ с разделением частот ортогональных поляризаций двух диапазонов частот: Патент RU 2136088: МПК Н01Р 1/161, Н04В 1/00. / A.M. Сомов, А.В. Пугачев; Заявка RU 98105930 от 17.03.1998; Опубл. 27.08.1999.

4. Многолучевая комбинированная зеркальная антенна: Патент RU 2627284: МПК H01Q 5/00. / A.M. Сомов; Заявка RU 2016127926 от 12.07.2016; Опубл. 04.08.2017.

5. Improvements in or Relating to Microwave Aerials: Патент GB 973583: МПК H01Q 17/00; H01Q 19/10; H01Q 19/19. / I.L. Lee; Заявка GB 19620014057 от 11.04.1962; Опубл. 28.10.1964.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к двухдиапазонным антеннам для земных станций спутниковых систем связи. Технический результат - повышение эффективности антенны при одновременном приеме радиоволн двух диапазонов частот. Результат достигается тем, что предложена двухдиапазонная антенна с кольцевым фокусом, состоящая из двух облучателей разных диапазонов частот, рефлектора в виде проводящей поверхности, образованной вращением несимметричной части параболы вокруг оси аксиальной симметрии антенны (АСА), параллельной фокальной оси параболы, и контррефлектора в виде проводящей поверхности, образованной вращением вокруг оси АСА несимметричной части гиперболы, мнимый фокус которой совпадает с фокусом параболы, а действительный фокус находится на оси АСА между рефлектором и контррефлектором, отличающаяся тем, что напротив контррефлектора со стороны рефлектора установлен вторичный контррефлектор в виде проводящей поверхности на основе осесимметричной вырезки из эллипсоида вращения, фокальная ось которого совпадает с осью АСА, причем дальний фокус вторичного контррефлектора совпадает с фокусом контррефлектора на оси АСА и в этом фокусе установлен первый облучатель, обращенный в сторону контррефлектора, а в ближнем фокусе вторичного контррефлектора установлен обращенный в его сторону второй облучатель. 1 ил.

Двухдиапазонная антенна с кольцевым фокусом, состоящая из двух облучателей разных диапазонов частот, рефлектора - основного зеркала в виде проводящей поверхности, образованной вращением несимметричной части параболы вокруг оси аксиальной симметрии антенны, параллельной фокальной оси параболы, и контррефлектора - вспомогательного зеркала в виде проводящей поверхности, образованной вращением вокруг оси аксиальной симметрии антенны несимметричной части гиперболы, мнимый фокус которой совпадает с фокусом параболы, а действительный фокус находится на оси аксиальной симметрии антенны между рефлектором и контррефлектором, отличающаяся тем, что напротив контррефлектора со стороны рефлектора установлен вторичный контррефлектор в виде проводящей поверхности на основе осесимметричной вырезки из эллипсоида вращения, фокальная ось которого совпадает с осью аксиальной симметрии антенны, причем дальний фокус вторичного контррефлектора совпадает с фокусом контррефлектора на оси аксиальной симметрии антенны и в этом фокусе установлен облучатель первого диапазона частот, обращенный в сторону контррефлектора, а в ближнем фокусе вторичного контррефлектора установлен обращенный в его сторону облучатель второго диапазона частот.